計(jì)及新能源接入的孤網(wǎng)運(yùn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真研究

梅勇，高永強(qiáng)，李成翔，常東旭，涂亮，朱益華

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510663；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 a.直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 廣東省新能源電力系統(tǒng)智能運(yùn)行與控制企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510663)

隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，新能源和傳統(tǒng)的水電、火電等多種電源在區(qū)域電網(wǎng)中互補(bǔ)協(xié)調(diào)，可以有效提升能源電力發(fā)展質(zhì)量。同時(shí)，區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所帶來(lái)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低、穩(wěn)定運(yùn)行能力無(wú)法評(píng)價(jià)、各類(lèi)型電源協(xié)調(diào)控制不夠等深層次矛盾日益凸顯。地區(qū)電網(wǎng)的風(fēng)光新能源和小水電富集，且與系統(tǒng)聯(lián)系較弱，當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線或聯(lián)絡(luò)變壓器跳閘后，地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行，很難保持穩(wěn)定運(yùn)行[1-7]。近年來(lái)電網(wǎng)連續(xù)發(fā)生了多起區(qū)域電網(wǎng)被動(dòng)孤網(wǎng)運(yùn)行失壓事件，對(duì)電力可靠供應(yīng)產(chǎn)生了影響。計(jì)及新能源以及其他傳統(tǒng)電源的孤網(wǎng)研究是助力新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要舉措，開(kāi)展計(jì)及新能源接入的孤網(wǎng)運(yùn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)分析，準(zhǔn)確重演地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程，并針對(duì)性地設(shè)計(jì)穩(wěn)定控制策略，提高地區(qū)電網(wǎng)的供電可靠性，是孤網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定研究的重點(diǎn)。

現(xiàn)有孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的研究主要集中在地區(qū)電網(wǎng)的控制策略設(shè)計(jì)方面：文獻(xiàn)[8]研究了風(fēng)電近區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)風(fēng)電機(jī)組、常規(guī)機(jī)組、核電機(jī)組高頻保護(hù)裝置的動(dòng)作情況，并提出了適用于風(fēng)核聯(lián)合運(yùn)行工況下的孤網(wǎng)高頻保護(hù)優(yōu)化配置方案；文獻(xiàn)[9]研究孤網(wǎng)中負(fù)荷與分布式電源波動(dòng)引起的頻率驟變及小幅振蕩問(wèn)題，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行前提下提高孤網(wǎng)抗擾動(dòng)能力，有效減弱頻率驟變并抑制小幅振蕩；文獻(xiàn)[10]針對(duì)孤網(wǎng)中負(fù)荷增加與風(fēng)速波動(dòng)引起頻率跌落及小幅度振蕩問(wèn)題展開(kāi)研究，通過(guò)改進(jìn)變流器的控制策略解決孤島電網(wǎng)低頻震蕩問(wèn)題；文獻(xiàn)[11]針對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行面臨的頻率、電壓和自勵(lì)磁等問(wèn)題，研究了提高安全穩(wěn)定特性的頻率、電壓控制策略以及高周切機(jī)和低頻減載等問(wèn)題?？傮w來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)地區(qū)電網(wǎng)被動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真分析研究相對(duì)較少，采用的分析方法多基于傳統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真工具，不具備新能源機(jī)組控制保護(hù)、安全自動(dòng)裝置等二次控保精細(xì)化建模的能力，孤網(wǎng)運(yùn)行控制優(yōu)化策略無(wú)法得到有效的量化驗(yàn)證。

本文針對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定控制的突出問(wèn)題，結(jié)合南方某地區(qū)電網(wǎng)被動(dòng)孤網(wǎng)運(yùn)行失壓的真實(shí)案例，構(gòu)建與實(shí)際電網(wǎng)一致的全電磁暫態(tài)仿真模型，開(kāi)展孤網(wǎng)運(yùn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)反演，完整再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)事故各個(gè)階段的動(dòng)作特性；開(kāi)展新能源接入對(duì)孤網(wǎng)穩(wěn)定影響的研究，分析風(fēng)電場(chǎng)高電壓穿越特性對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行的影響，提出提高風(fēng)電比例有利于降低區(qū)域電網(wǎng)被動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)后頻率峰值的運(yùn)行策略，并開(kāi)展仿真驗(yàn)證。

1 某地區(qū)孤網(wǎng)運(yùn)行演變過(guò)程簡(jiǎn)介

1.1 事故前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

某220 kV區(qū)域電網(wǎng)通過(guò)2臺(tái)主變與500 kV主網(wǎng)相連，事故前區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)電和小水電出力合計(jì)204.89 MW，負(fù)荷136.85 MW，區(qū)域電網(wǎng)有功功率盈余68 MW，通過(guò)2臺(tái)主變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“主變”)上送至主網(wǎng)，事故前區(qū)域電網(wǎng)接線方式和相關(guān)廠站負(fù)荷及出力如圖1所示，圖中“變”表示變電站(下同)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 事故前區(qū)域電網(wǎng)相關(guān)廠站負(fù)荷及出力Tab.1 Load and output of relevant plants and stations in regional power grid before the accident

圖1 事故前區(qū)域電網(wǎng)接線方式Fig.1 Regional power grid connection before the accident

1.2 事件時(shí)序

220 kV黎鼓Ⅱ回C相發(fā)生高阻接地故障，線路保護(hù)動(dòng)作跳C相，重合閘動(dòng)作合于C相故障后，500 kV黎平站側(cè)黎鼓Ⅱ回C相開(kāi)關(guān)未分開(kāi)，220 kV 失靈保護(hù)因不滿足復(fù)壓閉鎖開(kāi)放條件未出口，隨后1號(hào)、2號(hào)主變保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)主變?nèi)齻?cè)開(kāi)關(guān)，220 kV失靈保護(hù)滿足復(fù)壓閉鎖開(kāi)放條件出口跳母聯(lián)和II母開(kāi)關(guān)(黎鼓Ⅱ回、黎洛線、黎車(chē)Ⅱ回)，隔離故障，故障后區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行，孤網(wǎng)主接線如圖2所示。事故前黎平變2臺(tái)500 kV主變中壓側(cè)有功功率上送有功約68 MW、上送無(wú)功約80 Mvar，片區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷136 MW。孤網(wǎng)運(yùn)行期間，孤網(wǎng)頻率最高53.6 Hz，前期為高頻，后期頻率降低直至崩潰。

圖2 某區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)后主接線Fig.2 The main wiring of the isolated grid of a regional power grid

具體過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

階段1：21分37秒，黎平變220 kV Ⅱ母跳所有出線，進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)220 kV洛香變失壓，損失洛香變上送的51 MW出力(負(fù)荷為25 MW，小水電出力76 MW)，進(jìn)入孤網(wǎng)后因區(qū)域內(nèi)電廠出力富余，孤網(wǎng)頻率升至53.06 Hz。

階段2—3：21分40秒至21分48秒，高頻期間區(qū)域內(nèi)小水電機(jī)組出力共計(jì)下降約30 MW，孤網(wǎng)頻率由高頻降至最低48.104 Hz(21分44秒)；黎平變區(qū)域第3輪低頻減載切除3.2 MW負(fù)荷，第5輪低頻減載切除28.5 MW負(fù)荷，孤網(wǎng)剩余總負(fù)荷約80.1 MW，頻率又升至53.51 Hz。

階段4—6：21分48秒至22分18秒，區(qū)域小水電有功減少約20 MW(部分小水電因電壓高，發(fā)電機(jī)電壓保護(hù)動(dòng)作)，孤網(wǎng)頻率降至47.97 Hz，持續(xù)0.81 s；第6輪低頻減載動(dòng)作切除32.7 MW負(fù)荷，孤網(wǎng)剩余總負(fù)荷約50 MW，頻率升高至53.38 Hz，該區(qū)域低頻減載輪次已全部切完。

階段7—8：22分24秒至31分30秒，孤網(wǎng)運(yùn)行約9 min，頻率在48.34～51.59 Hz之間大幅波動(dòng)。

事件動(dòng)作時(shí)序如圖3所示。

圖3 孤網(wǎng)事件動(dòng)作時(shí)序Fig.3 Isolated grid event timing

2 新能源接入對(duì)孤網(wǎng)穩(wěn)定影響分析

孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)容的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要包括小水電同步機(jī)慣量、負(fù)荷側(cè)異步機(jī)慣量及新能源的虛擬慣量等，由于孤網(wǎng)負(fù)荷以民用負(fù)荷為主，異步電動(dòng)機(jī)慣量可忽略。新能源能提供的慣量支撐遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)組，傳統(tǒng)意義上認(rèn)為隨著新能源占比的提高，系統(tǒng)等效慣量下降，不利于孤網(wǎng)穩(wěn)定[12-18]。

但是在本文案例中，區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)后的暫態(tài)過(guò)程，有功、無(wú)功出力過(guò)剩導(dǎo)致孤網(wǎng)頻率、電壓均升高的情況下，新能源本身的控制特性和保護(hù)功能對(duì)孤網(wǎng)的穩(wěn)定起到一定的促進(jìn)作用。

地區(qū)電網(wǎng)被動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)后，孤網(wǎng)內(nèi)頻率、電壓迅速升高，根據(jù)GB/T 19963.1—2021[19]中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)高電壓穿越能力的要求，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高期間，在滿足動(dòng)態(tài)無(wú)功電流支撐能力的前提下，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備有功控制能力。風(fēng)電機(jī)組有功功率、無(wú)功功率的高電壓故障穿越控制目標(biāo)曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)高電壓故障穿越過(guò)程的功率控制目標(biāo)曲線Fig.4 Power control target curve of high voltage fault crossing process in wind farm

當(dāng)電網(wǎng)在t0時(shí)刻發(fā)生高電壓故障，風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)到系統(tǒng)電壓上升到閾值以上，切換到高電壓穿越(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高穿”)控制邏輯。根據(jù)我國(guó)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電機(jī)組在發(fā)生高穿故障后，需要向電網(wǎng)發(fā)出感性無(wú)功以降低電網(wǎng)電壓升高帶來(lái)的影響，無(wú)功電流需要根據(jù)電壓升高程度進(jìn)行調(diào)節(jié)：

(1)

如果孤網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)全部為水電機(jī)組，設(shè)故障前小水電總出力為Ps，系統(tǒng)總負(fù)荷為PL，則系統(tǒng)上送功率為Ps-PL。孤網(wǎng)系統(tǒng)的頻率加速度af為：

(2)

式中HS為孤網(wǎng)內(nèi)小水電機(jī)組等效慣量常數(shù)。

在考慮風(fēng)電接入的情況下，故障前風(fēng)電、小水電總出力不變?yōu)镻s，故障前風(fēng)電注入電網(wǎng)的功率為PW，風(fēng)電比例為k，則故障前風(fēng)電注入電網(wǎng)的功率PW=kPS。孤網(wǎng)系統(tǒng)的頻率加速度af為：

(3)

式中m為同等容量下的風(fēng)電場(chǎng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量常數(shù)與水電機(jī)組等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量常數(shù)的比值，0

如果地區(qū)電網(wǎng)被動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)后，風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)入高電壓穿越，風(fēng)電有功功率降低，為簡(jiǎn)化推導(dǎo)，本文采取簡(jiǎn)化處理，高電壓穿越期間風(fēng)電場(chǎng)有功功率近似為0。則風(fēng)電出力占比k對(duì)孤網(wǎng)系統(tǒng)的頻率加速度af的影響可以由?af/?k體現(xiàn)，推導(dǎo)為：

(4)

式(4)小于0，說(shuō)明孤網(wǎng)系統(tǒng)的頻率加速度af與風(fēng)電出力占比k成負(fù)相關(guān)。孤網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中如果風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)入高電壓穿越，那么隨著風(fēng)電出力占比的提高，系統(tǒng)頻率加速減慢，有利于降低故障后孤網(wǎng)系統(tǒng)的頻率峰值。

3 RTDS仿真分析

3.1 仿真建模

為研究孤網(wǎng)運(yùn)行情況下系統(tǒng)的頻率特性，基于RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及區(qū)域電網(wǎng)事故前機(jī)組出力和負(fù)荷，搭建本文案例220 kV區(qū)域電網(wǎng)等值模型，如圖5所示。

圖5 某區(qū)域孤網(wǎng)RTDS等值模型Fig.5 RTDS equivalent model of isolated grid in a certain area

3.2 仿真復(fù)現(xiàn)

根據(jù)圖3的線路和機(jī)組保護(hù)動(dòng)作時(shí)序，并在車(chē)江變及黎鼓變配置低頻切負(fù)荷精確數(shù)字模型(各輪整定值和切負(fù)荷量與實(shí)際裝置保持完全一致)，仿真孤網(wǎng)運(yùn)行的系統(tǒng)頻率和電壓波形如圖6所示(因錄波時(shí)間限制，實(shí)際系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行的9 min被壓縮到約2 min)。圖6中各點(diǎn)標(biāo)示如下：

圖6 某區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行仿真波形Fig.6 Simulation waveform of isolated grid operation of a regional power grid

0 s(t0)：黎鼓II線三跳，C相拒動(dòng)。

9.38 s(t1)：黎平變1號(hào)、2號(hào)主變跳閘，220 kV區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行。

13 s(t2)：失靈保護(hù)動(dòng)作跳II母、洛香區(qū)域失壓。

16.5 s(t3)：頻率上升到53.20 Hz，電壓最高275 kV。

23 s(t4)：機(jī)組減出力約30 MW，系統(tǒng)頻率最低48.17 Hz，低頻3、5輪動(dòng)作，切負(fù)荷31.6 MW，切負(fù)荷后系統(tǒng)最高頻率53.22 Hz，電壓最高277 kV。

40 s(t5)：小水電2機(jī)組跳閘，損失出力20 MW，系統(tǒng)頻率最低47.76 Hz。

43 s(t6)：低頻6輪動(dòng)作，切負(fù)荷32.7 MW；切負(fù)荷后系統(tǒng)頻率振蕩逐漸減弱，2 min內(nèi)已經(jīng)達(dá)到基本穩(wěn)定運(yùn)行。

170 s(t7)：模擬溫寨航電手動(dòng)停機(jī)，系統(tǒng)頻率、電壓快速下降，孤網(wǎng)運(yùn)行崩潰。

圖6中的①②③④⑤⑥⑦⑧過(guò)程基本上與現(xiàn)場(chǎng)錄波一致，車(chē)江線測(cè)得的頻率最高值與電壓最高值基本一致，低頻動(dòng)作輪次與現(xiàn)場(chǎng)時(shí)序一致，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的全過(guò)程。各個(gè)階段仿真與現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)頻率和電壓的對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)各階段的電壓頻率響應(yīng)對(duì)比Tab.2 Comparison of voltage frequency response between simulation system and real system at each stage

3.3 新能源支撐能力仿真

為了驗(yàn)證風(fēng)電等新能源對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行的支撐作用，將達(dá)棒山風(fēng)電、黔順風(fēng)電出力修改為20 MW(風(fēng)電場(chǎng)使用典型直驅(qū)型風(fēng)力機(jī)模型，控制保護(hù)使用典型參數(shù))，替換原有的小水電，系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7 考慮新能源接入的系統(tǒng)仿真模型配置Fig.7 System simulation model configuration considering new energy access

3.3.1 風(fēng)電場(chǎng)退出保護(hù)后系統(tǒng)響應(yīng)特性

為了驗(yàn)證風(fēng)電等新能源替換原有的小水電之后，其高電壓穿越特性對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行特性的影響，將達(dá)棒山風(fēng)電、黔順風(fēng)電所有保護(hù)退出，重復(fù)3.2節(jié)的仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 風(fēng)電場(chǎng)退出保護(hù)后仿真試驗(yàn)錄波Fig.8 Simulation test waveform after wind farm exiting protection

由圖8可知：失靈保護(hù)動(dòng)作跳黎平II母、洛香區(qū)域失壓后，孤網(wǎng)頻率上升到52.1 Hz，系統(tǒng)頻率超過(guò)52 Hz持續(xù)時(shí)間為1.5 s，隨后系統(tǒng)頻率下降至50.1 Hz，低頻減載保護(hù)未動(dòng)作，系統(tǒng)振蕩平息，頻率維持在50.43 Hz，最終恢復(fù)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖8中達(dá)棒山風(fēng)電場(chǎng)累計(jì)發(fā)生了近20次高電壓穿越，其中有5次風(fēng)電場(chǎng)有功功率降至0附近，系統(tǒng)頻率加速減慢，與風(fēng)電出力占比增加前相比，孤網(wǎng)頻率峰值降低了1.1 Hz，效果顯著。

由于風(fēng)電場(chǎng)的輸入風(fēng)速在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不變，基于本試驗(yàn)所采用風(fēng)力機(jī)模型中的最大風(fēng)能捕獲邏輯，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的出力恒定，且風(fēng)力機(jī)模型中沒(méi)有配備一次調(diào)頻功能，風(fēng)電場(chǎng)也不參與一次調(diào)頻，隨后孤網(wǎng)內(nèi)其他水電機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作，系統(tǒng)頻率由52.1 Hz下降至最低50.1 Hz，沒(méi)有達(dá)到低頻減載邏輯動(dòng)作門(mén)檻定值。

3.3.2 風(fēng)電場(chǎng)投入保護(hù)后系統(tǒng)響應(yīng)特性

將達(dá)棒山風(fēng)電、黔順風(fēng)電所有保護(hù)投入(保護(hù)參數(shù)為典型參數(shù))，驗(yàn)證風(fēng)電等新能源保護(hù)正常投入后對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行特性的影響，重復(fù)3.2節(jié)的仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 電場(chǎng)投入保護(hù)后仿真試驗(yàn)錄波Fig.9 Simulation test waveform after wind farm inputting protection

由圖9可知：失靈保護(hù)動(dòng)作跳黎平II母、洛香區(qū)域失壓后，孤網(wǎng)頻率上升到52.10 Hz，達(dá)棒山風(fēng)電場(chǎng)過(guò)頻保護(hù)動(dòng)作跳閘(過(guò)頻保護(hù)動(dòng)作定值設(shè)置為52 Hz持續(xù)0.5 s)，隨后系統(tǒng)頻率下降至49.2 Hz，低頻減載保護(hù)未動(dòng)作，系統(tǒng)振蕩平息，頻率維持在49.99 Hz，最終恢復(fù)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)電場(chǎng)過(guò)頻保護(hù)動(dòng)作跳閘減少孤網(wǎng)中有功功率盈余的情況，使孤網(wǎng)內(nèi)發(fā)電和負(fù)荷平衡，有效提升了孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究通過(guò)對(duì)南方某區(qū)域電網(wǎng)建模和仿真，準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)了該區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行事件各個(gè)階段的頻率響應(yīng)情況，并依據(jù)該仿真模型開(kāi)展了新能源對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行的支撐能力評(píng)估。

仿真結(jié)果表明：提高風(fēng)電比例有利于降低區(qū)域電網(wǎng)被動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)后頻率峰值，且風(fēng)電場(chǎng)過(guò)頻保護(hù)動(dòng)作跳閘可以減少電網(wǎng)中發(fā)電過(guò)剩的情況，使系統(tǒng)發(fā)電和負(fù)荷基本匹配，能夠有效提升孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

本文對(duì)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)和推廣意義：在容易進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行的地區(qū)可以考慮改造提高新能源機(jī)組高電壓穿越能力，或按饋線分輪設(shè)置新能源過(guò)頻保護(hù)定值，在這種情況下提升新能源等出力占比，新能源故障期間的控制與保護(hù)協(xié)調(diào)控制有利于提升孤網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。